锂电池组的主动电荷平衡

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前言

总部位于慕尼黑的英飞凌科技股份公司汽车系统工程部门承担了开发E-Cart的任务。这种可供驾驶的车辆将被用来演示混合动力汽车的电气特性。E-Cart将由大型锂离子（Li-ion）电池组进行供电。这样，实现电荷平衡的电池管理的绝对必要性就不难理解了。通过耗散功率实现电荷均衡的传统解决方案将被电池之间的主动能量转移方案所取代。由于现有文献资料只有一些基本原理的说明，这迫使英飞凌项目组不得不自行开发电荷平衡威廉希尔官方网站。由此诞生的主动式系统在材料成本方面远低于传统的被动解决方案（图 1）。

图1：E-Cart原型

1. 电池系统架构

多年以来，镍镉电池和随后出现的镍氢电池威廉希尔官方网站一直占据主导地位。锂电池只是最近几年才进入市场。然而，凭借其突出的优越性能，其市场份额迅速攀升。锂电池具有惊人的蓄能容量。尽管如此，因为单个电池的电压和电流都太低，不足以满足混合动力电机的需要。为增加电流可以待多个电池并联起来。为获得更高的电压，可以把多个电池串联起来。

电池生产商通常以类似“3 P 50 S”字样的缩写词来描述电池的排列方式，“3 P 50 S”代表3个电池并联和50个电池串联。

对于有多个电池串联而言，模块化结构是电池管理的理想选择。例如，将多达12个电池串联起来，组成3 P12 S阵列中的一个电池块（block）。这些电池的电荷由一个带有微处理器的电子电路进行管理和平衡。

电池块的输出电压由串联电池的数量和电池电压决定。单个锂电池的电压一般介于3.3V和3.6V之间，因此相应电池块的输出电压介于30V和45V之间。

混合动力汽车驱动需要450V左右的直流电源电压。为了补偿因荷电状态不同而引起的电池电压差异，在电池组和电机驱动装置之间连接一个DC-DC转换器。该转换器还可限流。

为使DC-DC转换器达到最佳工作状态，电池组的电压应保持在150V至300V之间。为此，需要将5到8个电池块串联在一起。

2. 平衡的必要性

一旦电压超出允许范围，锂电池很容易被损坏（图 2）。如果超出电压的上限和下限（例如nanophosphate锂电池的电压上限和下限分别为3.6V和2V），电池就可能会受到不可逆的损坏，至少也会增加电池的自放电率。在相当宽的荷电状态范围内，输出电压可以保持稳定，因此正常情况下超出安全范围的可能性比较小。但是，在接近安全范围上限和下限的区域，变化曲线非常陡峭。作为预防措施，仔细监测电压水平非常必要。

图2：锂电池(nanophosphate型)的放电特性
当电池电压接近临界值时，必须立即停止放电或充电。平衡电路的功能就是调节相应电池的电压，使其保持在安全区域。为了达到这个目的，当电池组中任一电池的电压与其他电池不同时，就必须将能量在电池之间进行转移。

3. 电荷平衡
3.1传统的被动平衡方式

在常规电池管理系统中，每个电池均通过开关与一个负载电阻相连。被动式平衡电路可以对指定电池单独放电，但这种方式只能在充电模式下抑制电压最高的电池的电压上升。为了限制功耗，一般采用100mA范围内的小电流，这可能导致需要数小时才能完成电荷平衡。

3.2 主动平衡

现有文献资料中介绍了几种主动电荷平衡方法，这些方法利用蓄能元件转移能量。如果采用电容器作为蓄能元件，则需要许多开关元件将蓄能电容与所有电池连接。相对而言，采用磁场来存储能量的效率更高，这种电路的核心器件是变压器。英飞凌项目组通过与VOGT电子器件有限公司（VOGT electronic Components GmbH）合作开发出了相应的原型，它可以用于：
• 在电池之间转移能量
• 将多个电池电压复用，作为基于地电压的模数转换输入

其构造原理是使用反激转换器（flyback converter）。这种变压器以磁场存储能量，在磁芯中有一个空隙，以提高磁阻，避免磁芯材料磁饱和。
变压器有两个不同的绕组：
• 主绕组与电池组相连
• 次绕组与电池相连

可行的变压器模型可支持12个电池。其限制因素是可能连接数量。本文所述的变压器原型有28个引脚。

开关采用OptiMOS 3系列中的MOSFET，它们具有极低的导通电阻，所产生的传导损耗可以忽略不计。

图3：电池管理模块主电路

每个电池块由英飞凌的8位微控制器XC886CLM控制，该控制器具有闪存和32KB的数据存储器；两个硬件CAN接口支持采用普通汽车控制器局域网（CAN）总线协议进行通讯，降低了处理器的负荷；硬件乘除算法单元（MDU）提高了运算速度。

4.  平衡方式

由于变压器可以双向使用，我们可以根据情况采用两种不同的平衡方式。控制电路首先逐个检测所有电池的电压（详见下文），计算出平均值，然后找出电压与平均值偏差最大的电池。如果该电池的电压低于平均值，则采用下限平衡（bottom-balancing）方法；如果高于平均电压，则使用上限平衡（top-balancing）方法。

4.1  下限平衡

图4：下限平衡原理
图 4显示了需要采用下限平衡方法的情形，其中2号电池被确认为电压最低的电池，需要补充电量。

闭合主绕组开关，电池组向变压器充电。然后断开主绕组开关，闭合相应的次绕组开关（本例中为2号次绕组开关），变压器储存的能量转移到指定的电池上。

每个周期由2个主动脉冲和1个间隔组成。本例中的周期为40毫秒，对应的频率为25kHz。变压器的设计工作频率应高于20kHz，以避免由于变压器磁芯的磁弹性产生的恼人啸声。

在某个电池的荷电状态达到下限时，下限平衡方法可以延长电池组的工作时间。只要流出电池组的电流低于平均平衡电流，车辆就可以继续行驶，直至耗尽最后一个电池的电量。

4.2  上限平衡

如果某个电池的电压高于其他电池，就需要将多余能量从该电池移走，这在充电模式下尤其必要。如果没有平衡功能，那么在第一个电池充满后必须立即停止充电。平衡功能使得所有电池的电压维持在同一水平，从而避免上述情况的发生。

图5：上限平衡原理
图 5所示的例子说明了上限平衡模式下的能量流动情况。在电压检测后，确认5号电池是电池组中电压最高的电池。闭合5号次绕组开关，电流由5号电池流向变压器。由于电感效应，电流随时间线性增大。鉴于电感是变压器的固定特性，最大电流值由开关闭合的时间决定。从5号电池中转移出来的能量被存储在变压器的磁场中。断开5号次绕组开关，闭合主绕组开关，此时变压器转入发电机工作模式，能量通过大型主绕组馈入电池组。

上限平衡工作模式下的电流和时序与下限平衡类似，只是工作次序和电流的流向与之相反。

5.  平衡功率

采用英飞凌E-Cart中的原型配置，平均平衡点六位5A，比被动方式高50倍，而5A平衡电流在整个电池块中产生的功耗仅为2W。因此，这种平衡方式不需要采取专门的冷却措施，同时改善了系统的能量平衡。

6.  电压检测
为了对每个电池的荷电状态进行管理，每个电池的电压都要加以测量。由于只有1号电池处于微控制器模数转换范围内，因此不能直接测量电池块中其他电池的电压。

一种可能的方案是采用差分放大器阵列，但这需要保持整个电池块的电压水平。

下面提出一种只需添加少量硬件就可以检测所有电池电压的方法。变压器的主要作用是电荷平衡，但同时我们也可将它作为多路复用器使用。

在电压检测模式下，变压器的反激模式没有被使用。当S1至SN开关中的某一个闭合时，所接通的电池的电压被传输至变压器的所有绕组。

经过一个分立滤波器简单的预处理，检测信号被输入至微控制器ADC输入管脚。

S1至SN中的任一开关闭合时所产生的检测脉冲的持续时间非常短暂，实际的导通时间可能只有4 µs，因此变压器中存储的能量并不多。当该开关断开后，磁场中存储的能量将通过主晶体管馈回整个电池块，因此电池块的能量不受影响。对全部电池扫描一遍后，一个扫描周期结束，系统回到初始状态。

7.  结论

只有采用适当的电池管理系统，才能充分利用新型锂电池的优势。主动电荷平衡系统的性能显著优于传统的被动方式。对简单变压器的创造性使用，有效降低了材料成本。

作者：Werner Rößler
         位于德国Neubiberg的英飞凌科技股份公司安全应用系统工程部系统工程师

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